徐 張, 卞辰慧, 喬繼潘

(1.中國船級社 上海分社， 上海 200135； 2.海鷹企業(yè)集團有限責任公司， 江蘇 無錫 214061；3.上海船舶運輸科學研究所， 上海 200135)

隨著航運業(yè)的迅猛發(fā)展，船舶噸位、船舶航速以及船舶數量都有大幅提高，海上航線變得越來越擁擠，受天氣和人為等因素的影響，使船舶碰撞海損事故發(fā)生的概率也隨之增大，所以船體結構的抗撞防護性研究成為世界各國研究的焦點。增強船體結構的抗撞防護性能主要從提出各種抗沖擊結構設計工況和開發(fā)應用具有沖擊防護特性的防護結構材料2方面著手。優(yōu)化傳統(tǒng)舷側結構，設計新型耐撞結構的方法固然可提高結構的抗撞性，但同時也帶來其他問題，如增加船舶重量，制造過程繁瑣和成本增加等，僅靠這些方法效果是有限的。因此，采用輕量化防護材料來提高結構的抗撞防護性能成為當前研究的熱門技術。

聚脲材料是通過在異氰酸酯組分(簡稱A組分)和氨基化合物(簡稱B組分)相互反應后形成的高性能防護噴涂材料。其不僅具有較高的抗沖擊性、柔韌性、防水防漏性、耐磨性、耐老化和熱穩(wěn)定性，還具備其他材料不具備的高強度、低彈性模量以及高伸長率等杰出的特性，這些特性有助于提高聚脲彈性體的防撞抗沖擊性能。[1-3]SARVA等[4]和YI等[5]研究發(fā)現當低應變率加載到高應變率時，聚脲材料則從橡膠態(tài)轉變?yōu)槠じ飸B(tài)。GRUJICIC等[6]在研究聚脲涂層對鋁板的抗侵徹能力時發(fā)現，當溫度由低升高時，聚脲材料的力學行為則由橡膠態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)。海洋化工研究院將其開發(fā)的SPUA-601噴涂于沈陽和青島的碼頭護舷上，表現出優(yōu)良的防撞性能。美國護衛(wèi)艦安德伍德號美人架(尾軸托架)的剮體結構表面上噴涂聚脲涂層來防止海水腐蝕。[7]許多工程案例都驗證了聚脲涂層對增強結構防護性能的應用價值。

鑒于學者將聚脲材料多應用于提高抗爆性能和抗侵徹性能，而針對碰撞荷載的研究工作卻非常鮮見。因此，本文針對提高舷側結構的抗碰撞性能，通過數值模擬的方法，開展有、無聚脲涂層模型板架和實船在碰撞沖擊荷載下的動態(tài)響應研究,對進一步研究聚脲材料防護效應具有重要的意義，同時,為聚脲涂層的深入研究提供基礎和支持。

1 板架數值仿真計算

1.1 有限元計算模型

板架以某型艦船中段舷側結構為依據實尺度建立有限元模型，見圖1～圖4。材料采用高強度船體結構鋼DH36，舷側外板尺寸為1 060 mm×1 060 mm×5 mm，其中4邊都預留30 mm用來焊接固定，參與撞擊的有效區(qū)域為1 000 mm×1 000 mm，4根角鋼縱向排列，間距為300 mm，尺寸為80 mm×50 mm×4 mm，2根T型材橫向排列，間距為800 mm，腹板尺寸為6 mm×200 mm，面板尺寸為8 mm×80 mm。噴涂聚脲涂層厚度為5 mm(板架背面及加強筋)。c75 mm的球形撞頭，其后面延長段長度為250 mm，材料為GCr15(高碳鉻軸承鋼)，撞頭質量為1 350 kg。

圖1 板架整體模型(無涂層)

圖2 加強筋模型(無涂層)

圖3 板架整體模型(有涂層)

圖4 加強筋模型(有涂層)

1.2 材料模型和參數

對于船舶碰撞問題研究的通常都是高能碰撞情況，材料會經過彈性階段進入塑性流動階段，因此，采用應變率相關的Cowper-Symbols本構方程，其與屈服應力的關系見式(1)，鋼材具體材料參數為:密度7 850 kg/m3;彈性模量210 GPa;泊松比0.30;屈服應力355 MP;最大失效應變0.23;Cowper-Symbols模型中參數D取40，P取5。

(1)

根據聚脲的力學性能,選擇合適的模型來模擬聚脲的力學性能,需符合以下幾個方面[8]：

1)模型需要適當的屈服準則來模擬聚脲材料的斷裂問題。

2)模型必須含有彈性和塑性階段來模擬聚脲的變形過程。

3)由于在碰撞環(huán)境中，模型必須考慮材料的應變率效應。

在MSC.Dytran材料庫中，本文選用分段線性塑性材料DYMAT24模型來模擬聚脲彈性體的力學性能，采用Cowper-Symbols模型計及材料應變率敏感性的影響。聚脲材料參數為：密度1 020 kg/m3;彈性模量0.23 GPa;泊松比0.4;屈服應力14 MPa;撞頭選用剛體材料本構模型。

1.3 網格劃分和邊界條件

為既節(jié)省時間又能在基本保持計算精度的前提下，舷側板架模型使用四節(jié)點縮減積分板殼單元，選取全局尺寸為10 mm網格進行分析計算。由于在實船碰撞中板架四周有其余板塊連接提供約束，所以約束條件根據在實際情況下落錘試驗為依據來設定，邊界采用四周剛性固定。計算中考慮到撞頭與板架之間的摩擦作用，選取摩擦系數為0.3。

1.4 仿真計算工況

為更加全面地涵蓋各種情況來研究涂覆情況對舷側板架抗撞性能的影響，通過改變初始撞擊速度，用以模擬試驗中撞頭從不同高度處自由落下到達板架時的沖擊速度，從而找到致使板架破裂的臨界高度，選取距臨界高度差為±300 mm的撞頭初始下落高度設置仿真計算和試驗工況，仿真計算工況匯總見表1。取板架的最弱位置為撞擊點，即撞頭撞擊在板架板格中央上,根據實驗室落錘最大高度和結構本身強度，設定落錘高度為2.0～2.3 m，并由此確定撞擊速度。

2 仿真結果與分析

2.1 碰撞力

有限元計算得到的有、無聚脲涂層板架碰撞力-時間歷程曲線圖見圖5。由圖5可知：在撞擊過程中，落錘與板架結構的接觸面積逐漸增加，使碰撞力呈現上升的趨勢；而碰撞接觸的同時也會伴隨著局部結構單元的失效，使碰撞力出現突然卸載的情況。最大碰撞力分別為245.66 kN、219.70 kN、294.45 kN、254.46 kN、390.01 kN和309.92 kN。由圖5可知：有聚脲涂層板架峰值碰撞力大于無聚脲涂層板架，這表明在相同的撞擊速度下，有聚脲涂層板架可承受更大的作用力。

表1 仿真計算工況匯總

a)工況1

b)工況2

c)工況3

d)工況4

2.2 應力分布與損傷變形

非線性動態(tài)響應分析程序MSC.Dytran計算得到的有、無聚脲涂層舷側板架結構的應力分布和損傷變形情況分別見圖6～圖9。由圖6～圖9可知：對比工況1和工況2，舷側板架結構均發(fā)生一定的變形,但都沒有破損，其中無涂層骨材變形較為明顯，變形模式主要為膜拉伸變形，且損傷變形區(qū)域基本對稱。對比工況3和工況4，有聚脲涂層板架未破損，在碰撞過程中的變形幅度及其應力相對較小，板架的變形模式主要為膜拉伸變形；而無涂層板架則發(fā)生破損，破口大小和形狀與撞頭基本一致。無聚脲涂層板架由于撞頭直接穿透，舷側外板與撞頭接觸處出現應力集中現象并最終由中間向四周發(fā)生撕裂，雖然靠近破口處的骨材未破損，但出現較輕的側向彎曲變形。

a)板架正面

b)板架背面

a)板架正面

b)板架背面

a)板架正面

b)板架背面

a)板架正面

b)板架背面

由圖6～圖9可知：由于聚脲材料具有很好的韌性和抗沖擊性能，因此聚脲涂層的存在可加強板架的抗沖擊能力。

3 聚脲涂層對實船舷側結構的抗撞性能數值仿真分析

3.1 某型艦船主要參數介紹

某型艦船主要參數包括：船舶總長約70 m，設計水線長64.50 m，型寬8.70 m，型深5.00 m，梁拱0.15 m。選取該船中段為被撞擊區(qū)域，并噴涂5 mm的聚脲涂層于撞擊側外板內側。有限元模型見圖10～圖12。撞擊船與被撞擊船均選取某型艦船的全船有限元模型，其中撞擊區(qū)域所有結構構件均真實模擬，其他區(qū)域的結構構件在模型中適當應予以表達。

圖10 舯部結構圖

圖11 艦船去掉外板后結構圖

圖12 整船有限元模型

3.2 附連水質量

采用附連水質量法進行實船碰撞仿真，即通過調整船體外板結構的相當密度方法進行模擬和施加。其中:在有限元模擬時撞擊船的附連水質量取其總質量的0.05倍;而被撞船的附連水質量取其總質量的0.85倍。

3.3 材料屬性與網格劃分

在數值模擬中，對模型撞擊區(qū)域采用較為密集的網格，尺寸選取100 mm，但在同一個有限元模型中，如果網格越小，則單元數量越多，便會導致在運算過程中增加所需的時間步，從而延長仿真計算時間，所以非撞擊區(qū)域的結構采用較粗的網格。

3.4 接觸和摩擦

在碰撞計算過程中采用主-從接觸和自身接觸。[9]受滑動影響接觸面之間有摩擦力，在有限元計算中,考慮到撞擊船與被撞船之間的摩擦作用，所有動摩擦系數和靜摩擦系數均設置為0.3。

3.5 碰撞工況

工況中撞擊角度取90°，即撞擊船艏部正向垂直撞擊被撞船的舷側結構，這是最危險的情況。對于相同噸位的船舶來說，艏向區(qū)域結構的剛度要遠遠大于舷側結構，因此，損失大部分發(fā)生在被撞艦船的舷側區(qū)域。撞擊速度設定為2 m/s和4 m/s且測試均有無聚脲涂層的工況。碰撞工況匯總見表2。90°正向撞擊中段的有限元模型，見圖13。

表2 碰撞工況匯總

圖13 90°正向撞擊中段的有限元模型

3.6 結果與分析

利用MSC.Dytran非線性有限元軟件對船船碰撞進行數值仿真計算，分析被撞船的應力分布與損傷變形、碰撞力結果，計算時間為1 s。

3.6.1應力分布與損傷變形

在90°撞擊角度及不同速度下碰撞后有、無聚脲涂層船體中段的損傷變形圖見圖14。由圖14可知：碰撞的應力分布和損傷變形表現為局部性，即船體中段的較大應力和變形范圍基本上集中在撞擊區(qū)域，而沒有直接撞擊的結構變形則很小。對比4種工況可發(fā)現，當撞擊船艏向直接撞擊被撞船中部區(qū)域時，當撞擊速度增大時，被撞船的變形范圍也會隨之增大。由圖14可知：當撞擊船艏向直接撞擊被撞船中部區(qū)域后，被撞船的舷側外板、舷側縱骨、舷側肋骨、甲板和橫艙壁等均產生或多或少的變形，但從圖14明顯發(fā)現工況1和工況3的整體變形范圍和程度相對更小。

3.6.2碰撞力

在90°撞擊角度和不同速度下碰撞時有、無聚脲涂層船體中段的碰撞力-時間歷程曲線見圖15。由圖15可知：船體結構在整個碰撞過程中,均會出現多次卸載的現象，說明碰撞力-時間歷程曲線具有很強的非線性特征。碰撞力既是撞擊船的沖擊力，同時也是被撞船的抗撞力。但是其整體的變化趨勢主要還是由被撞船的舷側結構和損傷變形決定的。其中碰撞角度為90°時各工況下最大碰撞力值見表3。由表3可知：有涂聚脲層船體中段的最大碰撞力峰值更大，提升約4%和12%，這是由于聚脲涂層具有較好的韌性和抗沖擊能力，使聚脲涂覆船體結構抗撞防護能力加強。

a)工況1(有涂層2 m/s)整體

b)工況1(有涂層2 m/s)骨材

c)工況2(無涂層2 m/s)整體

d)工況2(無涂層2 m/s)骨材

e)工況3(有涂層4 m/s)整體

f)工況3(有涂層4 m/s)骨材

g)工況4(無涂層4 m/s)整體

h)工況4(無涂層4 m/s)骨材

a)2 m/s速度撞擊有涂層

b)2 m/s速度撞擊無涂層

c)4 m/s速度撞擊有涂層

d)4 m/s速度撞擊無涂層

表3 碰撞角度為90°時各工況下最大碰撞力值

4 結束語

4.1 模型板架結構

高韌性聚脲涂層能夠有效減小舷側板架的損傷變形程度。在相同撞擊位置和相同落錘高度下，當落錘高度未達到臨界高度時，板架均未發(fā)生破損，且有聚脲涂層板架的塑性變形顯著小于無聚脲涂層板架；當落錘高度為臨界高度時，在相同撞擊位置和相同落錘高度下，無聚脲涂層板架產生破口，而有聚脲涂層板架未發(fā)生破裂。

4.2 對于實船船體結構

1)聚脲彈性體因其較好的伸長率和柔韌性能夠有效減小實船結構的變形量。在相同撞擊工況下，有聚脲涂層船體中段的整體變形范圍和程度較無聚脲涂層相對更小。由此可見，在船舶受到強烈沖擊而即將發(fā)生破損的臨界時刻，聚脲涂層能夠較好地保證船體的完整性和水密性，提高艦船的生命力。

2)當聚脲彈性體噴涂于舷側外板背面時，使船體結構的抗撞防護性也能得到顯著加強。對比船體中段的最大碰撞力發(fā)現，有聚脲涂層船體結構的最大碰撞力提升約10%，說明有聚脲涂層船體結構能夠承受更大的撞擊力。